冷等离子体诱导燃烧制备多孔金属氧化物的方法技术

本发明专利技术涉及冷等离子体诱导微燃烧制备多孔金属氧化物的方法。将金属盐或金属氧化物与含碳骨架材料混合或将金属盐或金属氧化物浸渍到含碳骨架材料中，将负载金属离子的混合物置于等离子体反应腔中；将空气或氧气或含氧气体混合物通入反应腔；在大气压下，用高压电源在电极两端施加6000～20000V的交流电，0.3～2.0A电流使气体放电，形成等离子体诱导含碳物质微燃烧，时间为8～60min。本发明专利技术的冷等离子体诱导微燃烧技术是利用等离子体装置产生的电子、激发态原子或分子、离子、自由基等粒子与含碳物质反应从而诱导微燃烧，并充分地利用微燃烧来制备多孔金属氧化物。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及能源科学和材料科学
，尤其是一种冷等离子体诱导微燃烧制备多孔金属氧化物的方法。
技术介绍
由于多孔金属氧化物具有密度小、空隙率高、比表面积大和对气体有选择透过性等特性，因而它们成为当前材料科学中发展较为迅速的一种材料。多孔金属氧化物由于其结构的多样性，使得它在气体分离、多孔电极、储存介质等方面有着广泛的应用。等离子体就是一种电离的气体，通常是光子，电子，基态原子或者分子，激发态原子或分子以及正离子和负离子六种基本粒子构成的集合体。而冷等离子体却是一种热力学非平衡等离子体，其中电子温度很高而整体温度却仍能保持较低，甚至于室温。这一特性赋予了冷等离子体很多独特应用，比如成核及晶体生长在冷等离子体的影响下都会与传统方式相比有很大不同。另外，以电子为还原剂的室温下等离子体还原也很可能在未来取代催化条件下的氢气还原；并且冷等离子体还可被应用于催化剂或其前驱体表面的介面进行修饰从而获得效果更好、活性更高的催化剂；此外，冷等离子体还可被应用于金属氧化物的制备与修饰过程中。当前制备多孔金属氧化物的方法主要有:水热及溶剂热法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、模板法等。上述方法的不足之处在于:制备过程繁琐，操作复杂，条件苛刻且不易控制，反应时间长，而且上述方法引入许多易挥发的有机溶剂并不绿色环保。另外，一旦条件控制失当，所得的多孔金属氧化物容易团聚，失去其优越性能。而当前控制燃烧的方法，主要是在点燃源(包括明火、电气火花、机械火花、静电火花、高温、化学反应、光能等)的诱导下，积累到一定能量，可燃物质燃烧。该方法的不足之处在于:反应介质温度过高，诱导时间长，所需能量大。另外，部分点燃源(如明火等)不易控制，易发生危险，形成安全隐患。与本专利技术最为接近的公开技术是:在Catalysis Communication(2010，11:551-554), Liu等人公开了一种脱出模板剂的新方法。该方法在接近室温条件下，采用介质阻挡放电，在氧气气氛中脱出了 MCM-41上的活性炭模板剂，得到多孔分子筛。其装置简单，操作方便，节省能耗，对环境友好，在材料制备领域有广泛应用前景。然而，对于冷等离子体与含碳骨架材料反应诱导微燃烧制备多孔金属氧化物还没有实现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种冷等离子体诱导微燃烧制备多孔金属氧化物的技术方法:该方法操作简便，条件温和，处理速度快，对环境友好。通过此法可有效的制备多孔金属氧化物。本专利技术是通过以下技术方案来实现的:一种低温等离子体诱导微燃烧制备多孔金属氧化物的方法。该处理方法包括以下步骤:(I)将金属盐或金属氧化物与含碳骨架材料混合或将金属盐或金属氧化物浸溃到含碳骨架材料中，金属原子质量占总质量的2% 40% ；(2)将负载金属离子的混合物置于等离子体反应腔中；(3)将空气或氧气或含氧气体混合物通入反应腔；(4)在大气压下，利用用高压电源在电极两端施加6000 20000V的交流电，0.3 2.0A的电流使气体放电，形成的等离子体诱导含碳物质微燃烧，时间为8 60min，由此得到冷等离子体诱导微燃烧制备的多孔金属氧化物。而且，所述的金属盐或金属氧化物为锆、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、铝、钨、锡、钼、钯、金、银、钌、铑、铼或铱所形成的盐或氧化物。所述的金属盐为氯化盐、硝酸盐、硫酸盐或有机金属盐。所述的含碳骨架材料为活性炭、煤、石墨或石墨烯。所述的等离子体放电气体为空气、氧气或者含氧气体混合物。所述的气体放电形式可以为介质阻挡放电或电晕放电等。针对当前制备多孔金属氧化物的方法的不足，我们用冷等离子体诱导微燃烧制备多孔金属氧化物，是在常压条件、室温或较低的气体温度(低于200°C)下进行的，以空气、氧气或含氧气体混合物为发生气，处理时间为8 60min。由此得到冷等离子体诱导微燃烧制备的多孔金属氧化物。此种方法制备多孔金属氧化物装置简单，操作方便，耗时少，且不必使用强氧化剂和苛刻灼烧条件，对环境友好。针对当前控制燃烧的方法的不足，我们采用等离子体诱导微燃烧，在常压、室温或较低的气体温度(低于200°C )下通过调节电压电流控制微燃烧，安全快捷且容易控制，大大减少引发物质燃烧所需能量，提高能量利用效率。本专利技术的优点和有益效果是:1.本专利技术涉及的冷等离子体诱导微燃烧技术是利用等离子体装置产生的电子、激发态原子或分子、离子、自由基等粒子与含碳物质反应从而诱导微燃烧。等离子体诱导实现了微燃烧的制性，有利于更加充分地利用微燃烧来制备多孔金属氧化物。2.本专利技术诱导的微燃烧过程中，其性反应介质温度，与传统制备多孔金属氧化物的方法相比，仍然保持相对较低，所需能量也小于水热等传统处理方法，而且处理速率很快。3.本专利技术采用的冷等离子体诱导微燃烧制备多孔金属氧化物技术在室温、常压下进行，避免了高温所带来的大量能耗及维持较高压力所带来的安全隐患。且本法操作简单，节省能耗，不用额外化学试剂，高效、绿色、对环境友好。附图说明图1是C77Zr经等离子体处理前后的样品照片对比图；图2是C77Zr经等离子体处理前后的样品热重曲线对比图；图3是C77Zr经等离子体处理后ZrO2样品的X射线衍射谱图；图4是C77Zr经等离子体处理后ZrO2样品的氮气吸附-脱附等温线；图5是含有Zn(NO3)2前驱体的活性炭颗粒经等离子体处理后ZnO样品的氮气吸附-脱附等温线。具体实施例方式本专利技术通过以下实施例结合附图进一步详述。但本实施例所叙述的
技术实现思路
是说明性的，而不是限定性的，不应依此来局限本专利技术的保护范围。实施例1将ZrO2胶体溶液浸溃在活性炭小球上，Zr原子质量占总质量的20%，将负载后的固体C77Zr直接平铺于石英玻璃等离子体反应腔上，在室温下引发，平均输入电压为14000V，输入电流为0.3 0.8A，处理时间为每次2min，4次共8min。所用放电气氛为氧气气氛，氧气流量为30mL.min—1。放电结束时，石英釜的温度仍然为室温。所制得的ZrO2经表面颜色观察、热重分析、X射线衍射和氮气吸附脱附分析，得到以下分析结果:如图1所示的经等离子体处理前后的样品照片对比图，可观察到实验前后样品颜色变化显著:等离子体处理前，样品为黑色小球，等离子体处理后，样品绝大部分变为白色小球,表观上看,碳基本被脱除掉；如图2所示的经等离子体处理前后的样品热重曲线对比图，等离子体处理前后两个样品在140°C到800°C之间的失重率分别为80.1%和5.40%,说明在介质阻挡放电条件下，样品上的碳模板剂已经被大部分脱除掉；如图3所示的经等离子体处理后样品的X射线衍射谱图，通过与标准谱图对比得知，样品为斜锆石，属于单斜晶系。28.16°和31.44°的特征峰分别归属于ZrO2 (-111)和ZrO2(Ill)0可见在介质阻挡放电在诱导微燃烧过程的同时，Zr(OH)JA水得到Zr02。也就是说，介质阻挡放电等离子体达到了诱导微燃烧的同时焙烧Zr(OH)4的目的；如图4所示的经等离子体处理后样品的氮气吸附-脱附等温线，经过计算，样品的比表面积为73.7m2.g_l,孔尺寸分布为3 40nm,可见该样品为介孔Zr02。实施例2将NiCl2等体积浸溃在煤粉上,Ni原子质量占总质量的25%,浸溃后干燥除去其中的水分。将负本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种冷等离子体诱导燃烧制备多孔金属氧化物的方法，其特征在于步骤如下：(1)将金属盐或金属氧化物与含碳骨架材料混合或将金属盐或金属氧化物浸渍到含碳骨架材料中，金属原子质量占总质量的2%～40%；(2)将负载金属离子的混合物置于等离子体反应腔中；(3)将空气或氧气或含氧气体混合物通入反应腔；(4)在大气压下，利用用高压电源在电极两端施加6000～20000V的交流电，0.3～2.0A的电流使气体放电，形成的等离子体诱导含碳物质微燃烧，时间为8～60min，由此得到冷等离子体诱导微燃烧制备的多孔金属氧化物。

【技术特征摘要】
1.一种冷等离子体诱导燃烧制备多孔金属氧化物的方法，其特征在于步骤如下: (1)将金属盐或金属氧化物与含碳骨架材料混合或将金属盐或金属氧化物浸溃到含碳骨架材料中，金属原子质量占总质量的2% 40% ； (2)将负载金属离子的混合物置于等离子体反应腔中； (3)将空气或氧气或含氧气体混合物通入反应腔；(4)在大气压下，利用用高压电源在电极两端施加6000 20000V的交流电，0.3 2.0A的电流使气体放电，形成的等离子体诱导含碳物质微燃烧，时间为8 60min，由此得到冷等离子体诱导微燃烧制备的多孔金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭秋婷，刘媛，赵彬然，周昕瞳，王巍，刘昌俊，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：